Порядок выполнения работы. Цель работы: определение длины пробега b-частиц и максимальной энергии b-излучения радиоактивного источника

ИЗУЧЕНИЕ БЕТА-АКТИВНОСТИ

Цель работы: определение длины пробега b-частиц и максимальной энергии
b-излучения радиоактивного источника.

Содержание работы

Бета-распадом (b-распадом) называется самопроизвольное превращение ядер, при котором их массовое число не меняется, а заряд увеличивается или уменьшается на единицу. Этот заряд уносится электроном или позитроном, покидающим ядро:

1). при электронном b-распаде один из нейтронов n ядра превращается в протон p, и образуются электрон и антинейтрино (1):

(1)

2). при позитронном b-распаде происходит превращение одного из протонов ядра в нейтрон с испусканием нейтрино (2):

p ® n + b⁺¹ + , (2)

3). при захвате атомного электрона (например, К-захвате) один из протонов ядра превращается в нейтрон с излучением нейтрино (3):

p + e ® n + , (3)

Характерной особенностью b-распада является то, что испускаемые электроны (или позитроны) имеют всевозможные значения кинетической энергии от нуля до некоторой вполне определенной энергии Е_макс (граничной энергии b-спектра), значительно различающейся для разных радиоактивных веществ. Например, радиоактивный изотоп Н испускает b-частицы с Е_макс = 18 кэВ, а N - c Е_макс = 16.6 МэВ.

где dN/dЕ - число b-частиц, имеющих полную энергию от Е до Е+dЕ, Емакс - максимальная энергия b-частиц данного радиоактивного вещества. Максимальная энергия b-частиц определяет энергию b-распада и является важной физической величиной.

Непрерывность рассматриваемого спектра была объяснена в 1931г. Паули, который предположил при b-распаде наряду с электроном испускание другой частицы – нейтрино. Обе частицы рождаются в самом акте распада, причем возможная энергия Е_макс делится между электроном и нейтрино. Распределение максимальной энергии неодинаково, и для различных изотопов граничная энергия b-частиц составляет от 0.25 до 0.46 Е_макс.

b-частицы, проходя через вещество, теряют энергию и отклоняются от своего первоначального направления, то есть рассеиваются (рис. 2.):

Рассматривая пучок электронов, падающий нормально на поверхность фильтра, можно отметить, что электроны с большей энергией пройдут фильтр, испытывая лишь малые отклонения. Более медленные электроны подвергаются большему рассеянию, их угловое распределение приближается к гауссовскому, а траектория движения искривляется. При сильном рассеянии теряет смысл понятие направления движения электронов, рассматривается процесс диффузии электронов.

Число электронов, прошедших через фольгу, есть монотонно убывающая функция толщины фильтра, так как с увеличением толщины фильтра имеет место процесс обратной диффузии, когда электроны отклоняются на углы, большие 90 градусов. Кроме того, при увеличении толщины фильтра энергия электронов уменьшается, а часть их тормозится фактически до нулевой энергии, то есть останавливается. Предельная толщина фильтра, практически полностью задерживающая падающие электроны, называется эффективным пробегом электрона. Этот пробег определяется по кривым поглощения. Типичная кривая поглощения для непрерывного b-спектра представлена на рис 3:

где R_bMAX -толщина поглотителя, равная пробегу b-частиц в данном веществе. Она описывается экспоненциальной зависимостью (4):

(4)

где N₀ - число частиц, падающих за 1с на поверхность фильтра, µ - массовый коэффициент поглощения. Величина d связана с линейной толщиной соотношением (5):

(5)

где r - плотность вещества фильтра, r_Al = 2.7 г/см³. Для определения пробега удобно построить данную кривую в полулогарифмическом масштабе (рис.4):

В этом случае можно выделить прямолинейную часть кривой поглощения и использовать метод половинного поглощения.

Метод половинного поглощения состоит в следующем. По графику зависимости
ln(N-N_Ф) = f(d) определить среднюю толщину слоя половинного поглощения d_1/2, необходимого для уменьшения вдвое начальной интенсивности b-излучения, то есть

, (6)

на полулогарифмической зависимости получаем:

(7)

Вычисленное для нескольких точек и усредненное значение d_1/2 позволяет определить длину пробега электронов R_m по формуле (8):

d_1/2 = 0.1 R_m, (8)

Для определения максимальной энергии b-излучения радиоактивного изотопа следует использовать эмпирические зависимости между Е_макс и R_m (9, 9 a):

R_m = 0.542×Е×0.133 г/см², 0.8 < Е < 3.0 МэВ, (9)

R_m = 0.407×Е^1.38 г/см², 0.15 < Е < 0.8 МэВ, (9а)

(для источника Sr (z=90) + Y (z=90) использовать формулу (9)).

Приборы и оборудование:

Принципиальная схема установки приведена на рис.5:

Установка состоит из двух блоков: блока детектирования и блока управления и индикации (БУИ), соединенных между собой кабелем.

Блок детектирования содержит источник b-частиц, счетчик b-частиц и набор алюминиевых пластин с указанной на них толщиной поглотителя в мм. Расстояние между источником и детектором можно регулировать, перемещая источник вдоль скамьи. Нужная толщина фильтра достигается путем ввода/вывода пластин в кассету.

Измерительный блок (устройство пересчета импульсов) имеет следующие кнопки управления:

· «Сеть» - осуществляет включение напряжения питания счетчика 220 В (на задней панели прибора);

· «Пуск» - включает таймер и отсчет измеряемых импульсов одновременно;

· «Стоп» - одновременная их остановка;

· «Cброс» - обнуляет их показания;

· «Время, сек» - установка необходимого времени измерения;

· индикатор «кол. частиц» - показывает число зарегистрированных частиц;

· индикатор «сек» - показывает текущее время измерения.

Порядок выполнения работы

1. Включить "Сеть". Прогреться 1 мин. Установить нули во всех разрядах цифровых индикаторов.

2. Определить интенсивность фона при максимальной толщине поглотителя и минимальном расстоянии его до детектора (10). t - время измерения, при всех измерениях должно соответствовать не менее 200 регистрируемым импульсам с целью уменьшения относительной погрешности.

3. Определить интенсивность потока b-частиц без поглотителя и с поглотителем, меняя его толщину через 0.5 мм до максимальной 4 мм.

4. Повторить измерения, меняя положение источника.

5. Проделать аналогичные измерения для медных пластин, меняя толщину поглотителя от 0.25 мм (1 пластина) до 1 мм (4 пластины).

6. Данные по измерениям поглощения b-частиц свести в таблицу 1:

7. На основе таблицы построить кривые, дающие зависимость lnN_d(d).

8. По полученным кривым определить слой половинного поглощения и максимальный пробег b-частиц.

9. Оценить максимальную энергию b-частиц исследуемого радиоактивного изотопа и сравнить результаты, полученные на разных материалах поглотителя.

10. Сделать вывод.

Контрольные вопросы

1.Что называется β-распадом.

2.Какие бывают виды β-распада

3.Чем определяется энергия β-спектра

4.В чем состоит метод половинного поглощения.